第一次,我们在太空中创造出了第五种物质状态

这幅艺术概念图显示了6种经过精准调节的激光,用于减慢NASA的冷原子实验室内的原子,冷原子实验室能将原子冷却到接近绝对零度的低温。
图片来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

到这个月为止,距离科学家首次创造出第五种物质状态已经过去了25年,这种特别的物质状态完全不同于固体、液体、气体或是等离子体,具有非同寻常的性质。因证实了实验条件下这种物质状态的存在,埃里克·康奈尔(Eric Cornell)、卡尔·威曼(Carl Wieman)和沃夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)共享了2001年的诺贝尔物理学奖。

而现在,这种物质状态又有了新突破,相关研究(DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1)已于近期发表在《自然》(Nature)杂志上。2018年7月,美国航空航天局(NASA)的冷原子实验室(Cold Atom Lab)首次在地球轨道上创造出了物质的第五种状态,也就是玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)。冷原子实验室是国际空间站(InternationalSpace Station)上的一项基础物理设施,它能将原子冷却至非常低的温度,对相应的基本物理性质进行研究,而空间站的环境则为研究提供了在地球上不可能做到的条件。现在,任务团队报告了冷原子实验室启动和运行的详细信息,他们定下了在微重力环境下研究量子世界新特征的长期目标,过程中取得的进展也将一一向公众展示。

你可能意识不到,但实际上量子科学触及了我们生活的方方面面。量子力学是物理学的一个分支,专注于研究原子和亚原子粒子的行为,是包括手机和计算机在内的许多现代技术中多种组件的构成基础,涉及了硅的电子波动特性。

虽然最早的量子现象在一个多世纪以前就被观测到了,但科学家仍在不断学习我们宇宙中这一领域的相关现象。

冷原子实验室由NASA位于南加州的喷气推进实验室(Jet Propulsion LaboratoryJPL)所搭建,实验室的科学团队成员戴维·埃夫林(David Aveline)表示:“物理学家其实早就意识到,太空环境可以为这些量子系统的研究提供巨的优势,甚至可以追溯到第一批玻色-爱因斯坦凝聚态的产生。现在,相关的优势已经有了一些集中的体现,而随着冷原子实验室的持续运行,我们也正在证明,在轨道上日复一日地进行这些长时间的实验会带来很多好处。”

 

原子是如何被冷却到接近绝对零度的温度,也就是原子应完全停止移动的温度的?NASA冷原子实验室的团队成员对此进行了解释。
视频来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

逼近最冷

原子的温度越低,它们移动的速度就越慢,研究起来就越容易。像冷原子实验室这样的超冷原子设施,能将原子冷却至比绝对零度高出几分之一度的温度,而如果能达到绝对零度,理论上原子将完全停止移动。

降低原子的温度也是产生玻色-爱因斯坦凝聚态的唯一方法。科学家需要在真空中创造BEC,因此在地球上,原子会被重力作用向下拉并迅速掉落到反应室的底部,观察的时间通常会被限制在不到1秒钟。借助国际空间站的失重环境,BEC可以漂浮在冷原子实验室的内部,就像宇航员能飘在空间站里一样,这就意味着能有更长的观察时间。

不同于固体、液体、气体和等离子体这几种物质状态,BEC并不会自然形成。对量子物理学家而言,它们是一种宝贵的工具,因为在BEC状态下所有原子都具有相同的量子特性,因此,所有原子会共同表现出通常单个原子或亚原子粒子才会显示的特性。也就是说,BEC能让特定的微观特征在宏观尺度上可见。

第一次,我们在太空中创造出了第五种物质状态

自2018年以来,冷原子实验室就已经在国际空间站上运行了。完整的互动体验可以在“眼观太阳系”(Eyes on the Solar System)上查看。
图片来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

此前的超冷原子实验要么利用探空火箭(sounding rocket),一种仅携带科学仪器进行亚轨道飞行的特殊运载工具,适用于临时观察短时间出现的特殊自然现象和和持续观察某些随时间、地点变化的自然现象;要么将经过特殊设计的实验硬件从高塔顶部释放,以创造出几秒钟或数分钟的失重条件,就像零重力飞机一样。从一开始搭建在空间站起,冷原子实验室已经为科学团队提供了数千小时的微重力实验时间。这让他们得以多次重复实验,并在进行的实验中发挥更大的创造力和灵活性。

冷原子实验室科学团队成员杰森·威廉姆斯(Jason Williams)说:“有了冷原子实验室,科学家可以实时查看他们的数据,并在短时间内对实验进行调整。这种灵活性意味着我们能够快速地获取信息,并及时地解决新问题。”

相比在地球的实验室,太空中的超冷原子设施能够达到的温度也更低。给原子降温的其中一种方法,就是简单地让超冷原子缓慢扩展,这会使它们逐渐冷下来,没有地球重力将原子拽到地面,这种方法实行起来也会更容易。

更长的观测时间和更低的实验温度都为深入了解原子和BEC的行为提供了机会。在地球上,只有整个房间都装满了专用硬件和高塔的时候,才能实现最冷的温度和最长的观测时间。大小和洗碗机差不多的冷原子实验室还没能打破温度和观测时间的记录,但它的基本性能是最为先进的,将超大型实验室的功能装进了一个小小的空间里。

冷原子实验室科学团队的成员伊森·埃利奥特(Ethan Elliott)说:“我真的认为我们才刚刚开始探索在微重力环境下超冷原子实验可以做到的事。我非常兴奋,非常想看看利用这个特殊的实验室,基础物理学界能获取到什么样的发现。”

冷原子实验室现在已经成功运转了两年,利用一种被称为原子干涉仪(atom interferometer)的新工具,宇航员最近对设施进行了升级,原子干涉仪能用原子来精确测量某些作用力,包括引力。研究团队最近证实,作为第一个在太空中工作的原子干涉仪,它正在按预期正常运转。

埃夫林、威廉姆斯和埃利奥特是《自然》杂志最新研究的主要作者。冷原子实验室由喷气推进实验室设计和搭建,资助来自NASA位于华盛顿州总部的人类探索与运营任务部(Human Explorationand Operations Mission Directorate)太空生命与物理科学研究与应用(SpaceLife and Physical Sciences Research and Applications,SLPSRA)部门,以及位于休斯顿的NASA约翰逊航天中心(Johnson Space Center)国际空间站计划(International Space Station Program)。

想了解冷原子实验室的更多信息,请访问:

https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/

想了解有关冷原子实验室中的原子有多冷的更多信息,请访问:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7311

想了解冷原子实验室最近升级的更多信息,请访问:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7660

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-cold-atom-lab-takes-one-giant-leap-for-quantum-science

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忠洋 张

真是惊人!